研究报告/Research Report
生物信息学分析人DIXDC1基因的结构与功能 
任晨霞 
,
郭萍 ,
麻丽霞 ,
郭颖 ,
曹文君* 
,
郭萍 ,
麻丽霞 ,
郭颖 ,
曹文君*
长治医学院山西省高等学校血脂代谢与血液病重点实验室, 长治, 046000
作者 通讯作者
计算分子生物学, 2016 年, 第 5 卷, 第 3 篇
收稿日期: 2016年05月05日 接受日期: 2016年05月05日 发表日期: 2016年05月05日
作者 通讯作者
计算分子生物学, 2016 年, 第 5 卷, 第 3 篇
收稿日期: 2016年05月05日 接受日期: 2016年05月05日 发表日期: 2016年05月05日
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本文首次发表在 《基因组学与应用生物学》(2016年第35卷第5期1002-1007页)上。现依据版权所有人授权的许可协议，采用 Creative Commons Attribution License,协议对其进行授权，再次发表与传播。只要对原作有恰当的引用, 版权所有人允许并同意第三方无条件的使用与传播。
推荐引用：
引用格式(中文)：
任晨霞, 郭萍, 麻丽霞, 郭颖, 曹文君, 2016, 生物信息学分析人DIXDC1基因的结构与功能, 基因组学与应用生物学, 35(5): 1002-1007 (doi: 10.13417/j.gab.035.001002)
引用格式(英文)：
Ren C.X., Guo P., Ma L.X., Guo Y., and Cao W.J., 2016, Bioinformatic Analysis the Structure and Function of DIXDC1, Jiyinzuxue Yu Yingyong Shengwuxue (Genomics and Applied Biology), 35(5): 1002-1007 (doi: 10.13417/j.gab.035.001002)
摘要
DIXDC1 (Dishevelled-Axin domain containing 1)是新近发现的Wnt通路成员，但针对该基因的功能研究报道很少。本研究通过生物信息学方法分析了DIXDC1蛋白的理化性质、亚细胞结构定位、跨膜区和信号肽、二级结构和超二级结构，蛋白相互作用网络，及DIXDC1分子的进化保守性等。结果表明，人DIXDC1蛋白是酸性亲水蛋白，无跨膜区和信号肽，定位于细胞核和细胞质的可能性较大，主要二级结构元件是α螺旋，属于CH和DIX蛋白超家族。本文分析得知DIXDC1具有利于蛋白间相互作用的结构特点和在多种亚细胞结构的定位特点，表明其具有更为复杂的功能，为深入研究DIXDC1的具体基因功能提供一定的参考。
关键词
DIXDC1；生物信息学；结构；功能
DIXDC1是Wnt信号通路的新成员，属于该通路的正调控因子，目前关于DIXDC1功能研究的报道较少。过表达斑马鱼的Dixdc1基因因过度激活Wnt通路导致胚胎的眼睛和前脑变小(Shiomi et al., 2005)。DIXDC1作为Wnt信号通路的正调控因子(Luo et al., 2005)，在神经发育中起重要的作用。早期证据表明，Wnt信号可作为中枢神经系统与神经管形态早期发生的决定因素。过表达DIXDC1会促进畸胎瘤P19细胞向神经方向分化(Jing et al., 2009)，DIXDC1可促进神经细胞增殖，参与神经系统发育与分化的调节(Namba and Kaibuchi, 2010)。此外，在HEK293细胞内，DIXDC1与细胞骨架蛋白TUBULIN共定位，有丝分裂阶段DIXDC1与之共定位于中心体，说明DIXDC1也属于细胞骨架相关蛋白，可能参与肌动蛋白丝的动力学调节，与细胞形态和细胞的运动密切相关(Wu et al., 2009; Wang et al., 2006)。
在肿瘤的相关研究中，免疫组化染色发现DIXDC1在结直肠癌组织中的表达升高(Wang et al., 2010)，研究表明，激活的DIXDC1可促进大肠癌肿瘤形成，DIXDC1通过P13K/AKT信号通路调控细胞周期相关蛋白的表达来实现促进癌细胞的增殖(Wang et al., 2009)。Xu等(2014)发现DIXDC1可通过PI3K-AKT/AP-1信号通路增加非小细胞肺癌细胞的侵袭迁移能力，然而，Goodwin等(2014)发现DIXDC1是通过介导粘着斑的成熟而抑制非小细胞肺癌细胞转移，敲除DIXDC1可引起非小细胞肺癌转移能力增强。矛盾的研究结果预示DIXDC1在肿瘤的发生及转移过程中发挥重要作用，也表明了DIXDC1作用的复杂性，亟待我们深入研究其具体的分子功能及其精细调节机制。
随着生命科学与计算机科学的快速发展，生物信息学已成为获取生物大分子信息的重要手段(秦剑秋等, 2015)。本文通过生物信息学方法预测与分析DIXDC1蛋白的结构与功能，为今后进一步研究该蛋白的分子功能提供一定的线索和理论依据。
1结果与分析
1.1 Dixdc1基因的编码产物分析
Dixdc1基因的染色体定位为11q23.1，含有26个外显子，可编码8种可变剪切产物(表1)，转录产物NM_001037954.3全为5 963 bp，编码的NP_001033043.1蛋白为DIXDC1的共识编码序列，为683个氨基酸组成的多肽。
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表 1 New ICT based fertility management model in private dairy farm India as well as abroad
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1.2 DIXDC1的理化性质分析
通过ExPASy网站中的ProtParam工具分析得出DIXDC1蛋白分子式为C3353H5397N993O1072S22，分子量是77 478.0 Da，亮氨酸含量最高，占到整个序列的11.1%。DIXDC1的哺乳动物网织红细胞半衰期为30小时，不稳定系数是54.71，归类为不稳定的蛋白质。DIXDC1蛋白的理论等电点为5.85，在其序列中属酸性氨基酸的Asp和Glu共有104个，属碱性氨基酸的Arg和Lys共有89个，因此DIXDC1属于酸性蛋白分子。ProtParam分析得出DIXDC1的脂肪系数为80.67，平均亲水性是-0.752，利用ExPASy网站中的PrortScale软件预测到DIXDC1最强的亲水性位点是第559位的赖氨酸，亲水性分值为-3.389，疏水性最强的位点是58和59位的酪氨酸和亮氨酸，亲水性分值都是2.478。从所有氨基酸亲疏水性分布图可以看出，DIXDC1序列中亲水的氨基酸区域多于疏水区域(图1)，表明DIXDC1属于亲水蛋白。
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图 1 New ICT based fertility management model in private dairy farm India as well as abroad
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1.3 DIXDC1蛋白的亚细胞结构定位分析
通过PSORTⅡ判断预测，DIXDC1定位于细胞核、细胞质、过氧化物酶体、线粒体的可能性分别为65.2%、21.7%、8.7%、和4.3%。
1.4 DIXDC1蛋白的信号肽与跨膜区域分析
通过SignalP 4.1在线工具分析DIXDC1蛋白无信号肽序列(图2)。原始剪切位点C值最大切割点位于第66位氨基酸，分值是0.213，被结合的剪切点Y值最高点位于第66位氨基酸，分值是0.143，信号肽分值最大位点在第9位氨基酸位置，分值是0.217，1-66位氨基酸序列的平均信号肽分值为0.115，不足以形成经典的信号肽区域。使用TMHMM Server v. 2.0工具在线预测分析，DIXDC1蛋白序列不存在跨膜区域。
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图 2 New ICT based fertility management model in private dairy farm India as well as abroad
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1.5 DIXDC1的空间结构分析
通过SOPMA分析DIXDC1的二级结构得出，多肽链中α螺旋结构占49.34%，无规卷曲占32.06%，延伸链占10.69%，β转角占7.91% (图3)。
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图 3 New ICT based fertility management model in private dairy farm India as well as abroad
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NCBI的Conserved Domain数据库分析DIXDC1蛋白的保守结构域(图4)，DIXDC1属于钙调蛋白同源(Calponin homology domain, CH)蛋白超家族和散乱蛋白(Dishevelled and axin domain, DIX)超家族，CH结构域一般会包含单独或串联的肌动蛋白结合区，主要存在于细胞骨架和信号转导蛋白中，如肌动蛋白结合蛋白、细胞形态调节相关蛋白和信号蛋白中。DIX结构域主要介导蛋白质的寡聚化。
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图 4 New ICT based fertility management model in private dairy farm India as well as abroad
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1.6 DIXDC1蛋白质相互作用分析
通过STRING数据库预测DIXDC1的相互作用蛋白，构建的蛋白相互作用网络(图5)，成分主要有蓬乱蛋白2 (Dishevelled, DVL2)，周期素依赖蛋白激酶5 (Cyclin-dependent kinase 5, CDK5)，肌球蛋白重链2 (Myosin heavy chain 2, MYH2)，二氢硫辛酸转乙酰基酶(dihydrolipoamide S-acetyltransferase, DLAT)和丝裂原激活蛋白激酶激酶激酶激酶4 (Mitogen-activated protein kinase kinase kinase kinase 4, MAP4K4)。
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图 5 New ICT based fertility management model in private dairy farm India as well as abroad
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1.6 DIXDC1的保守性及多重序列比对
对不同物种DIXDC1蛋白进行多重序列比对并构建分子进化树(图6;图7)，人与黑猩猩、大鼠、小鼠、鸡、热带爪蟾、斑马鱼的DIXDC1蛋白序列保守程度分别为99.7%、92.9%、91.4%、84%、71.5%和69.5%，与物种进化程度相一致，表明其在进化过程中具有保守的分子功能。
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图 6 New ICT based fertility management model in private dairy farm India as well as abroad
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图 7 New ICT based fertility management model in private dairy farm India as well as abroad
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2讨论
本文通过生物信息学方法，分析得到DIXDC1是亲水性的不稳定蛋白质，无信号肽和跨膜区域，定位于细胞核和细胞质的可能性比较大。DIXDC1的主要二级结构是α螺旋，属于CH蛋白超家族和DIX蛋白超家族，具有利于蛋白间相互作用的结构信息。在蛋白质相互作用网络中，与DIXDC1已知功能相关的蛋白有：CDK5参与调节神经细胞的细胞周期和分化，在神经系统疾病中可能通过阻滞细胞周期的重新启动而引发神经元的凋亡(Ye et al., 2014)；DVL2主要与Wnt蛋白受体家族成员的C端结合，将Wnt信号传导至下游元件；MYH2主要参与细胞骨架的构建和肌肉收缩的调节。预示DIXDC1未知功能的相关蛋白有：DLAT是丙酮酸脱氢酶复合物的主要成分，催化丙酮酸转变为乙酰CoA和二氧化碳；MAP4K4是蛋白激酶级联信号转导组份之一，可以特异磷酸化MAP2K4和MAP2K6，激活CSBP2、P38和JNK-MAPK通路，但不激活ERK通路。
Wnt通路在细胞增殖、细胞分化以及致癌作用方面扮演关键角色，Wnt与其受体卷曲蛋白(frizzled, Frz)结合后，由散乱蛋白DVL的和轴蛋白Axin调控β-catenin的降解，DVL和Axin均含有保守的DIX结构域，DIX是介导蛋白寡聚化的重要结构域。DIXDC1是第三个被发现的DIX结构域蛋白，可以与Axin相互作用(Wong et al., 2004)，被认为是Wnt信号通路的新成员。DIXDC1是否直接调控β-catenin的降解是仍需证实的问题，β-catenin积累后进入细胞核，与T细胞因子(T cell factor, TCF)相互作用，而TCF转录因子具有双向调节基因表达的功能(Wang et al., 2010)，具有复杂的调节机制，DIXDC1功能的复杂性与之密切相关。本研究为今后更进一步实验研究DIXDC1的功能提供一定的理论依据。
3材料和方法
3.1材料
DIXDC1蛋白的序列信息来自于NCBI的GenBank数据库，得到683个氨基酸的序列信息进行后续的生物信息学分析。
3.2方法
采用Expert Protein Analysis System数据库的ProtParam Tool工具分析DIXDC1蛋白的理化性质，采用PrortScale Tool工具分析DIXDC1蛋白的亲疏水性；采用SPORTⅡ在线预测DIXDC1的亚细胞结构定位；采用SignalP 4.0软件在线预测DIXDC1有无信号肽，通过TMHMM 2.0分析DIXDC1的跨膜区域；通过SOPMA工具分析DIXDC1的二级结构；通过NCBI的保守结构域数据库分析DIXDC1的结构域；通过STRING数据库，构建DIXDC1的蛋白质间相互作用网络图；用Clustal 2.1软件对DIXDC1进行多重序列比对，DNAMAN软件绘制分子进化树。
作者贡献
曹文君和任晨霞负责本文的构思设计，任晨霞负责文稿的撰写，郭萍和郭颖负责文稿的修改和文献检查，麻丽霞负责文献的收集和校对。
致谢
本研究由山西省基础研究计划项目(2015021185)、长治医学院科技创新团队项目(CX201507)和长治医学院普及项目(QDZ201503)共同资助。
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